DSP芯片介紹及其選型精

1、DSP芯片介紹及其選型DSP芯片介紹及其選型類別：單片機 /DSP&n bsp引言  DSPS片也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器具，其主機 應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求， DSP 芯片一般具有如下主要特點： ( 1)在一個指令周期內(nèi)  (3)片內(nèi)具有快速    ( 6)具有在單 ( 7) 可以并行執(zhí)可完成一次乘法和一次加法； ( 2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； RAM通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；( 4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)

2、的硬件支持； (5)快速的中斷處理和硬件 I/O 支持； 周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；行多個操作； ( 8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 在我們設(shè)計DSP應用系統(tǒng)時，DSP芯片選型是非常重要的一個環(huán)節(jié)。在 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計中只有選定了 DSP芯片，才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。因此說，DSP芯片的選擇應根據(jù)應用系統(tǒng)的實際需要而確定，做到既能滿足使用要求，又不浪費資 源，從而也達到成本最小化的目的。&n bs pDSP實時系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)流程如圖1所示。 主要DSP芯片廠商及其產(chǎn)品&n bsp德州儀器公司 眾所周知，美國德

3、州儀器(Texas Instruments ，Tl)是世界上最知名的DSP芯片生產(chǎn)廠商，其產(chǎn)品應用也最廣泛，TI公司生產(chǎn) 的TMS320系列DSP芯片廣泛應用于各個領(lǐng)域。TI公司在1982年成功推出了其 第一代DSP芯片TMS32010這是DSP應用歷史上的一個里程碑，從此，DSP芯片開始得到真正的廣泛應用。由于 TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、簡單易 用、功能強大等特點，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP系列處理器。 目前，TI公司在市場上主要有三大系列產(chǎn)品：  (1)面向數(shù)字控制、運動控制的 TMS320C200系列，主要包括 TMS320C24x/F24、

4、x TMS320LC240x/LF240、x TMS320C24xA/LF240xATMS320C28x等。&n bs p( 2)面向低功耗、手持設(shè)備、無線終端應用的 TMS320C500系列，主要包括TMS320C54X TMS320C54X、TMS320C55等。 (3)面向高性能、多功能、復雜應用領(lǐng)域的 TMS320C600系列，主要包括TMS320C62xx TMS320C64X、TMS320C67x等。 美國模擬器件公司 ADI公司在DSP芯片市場上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點的 DSP芯片，其定點DSP芯片有ADSP2101/2103/21

5、05、 ADSP2111/2115、 ADSP2126/2162/2164、TS101，ADSP2127/2181、ADSP-BF53以及 Blackfin 系列，浮點 DSP芯片有 ADSP21OOO/21O20 ADSP21060/21062 以及虎鯊 TS201S。 Motorola 公DSP芯片比較晚。1986年該又 推出了與 IEEE 浮點格式兼 還有 DSP53611 16 位司 Motorola 公司推出的公司推出了定點 DSP處理器MC56001 1990年， 容的的浮點DSP芯片MC96002DSP56800 24 位的 DSP563XX口 MSC81

6、0等產(chǎn)品。  杰爾公司 杰爾公司的SC1000和SC2000兩大系列的嵌入式DSP內(nèi)核，主要面向電信基礎(chǔ)設(shè)施、移動通信、多媒體服務器及其它新興應 用。&n bs pDSP芯片的選型參數(shù)&n bsp根據(jù)應用場合和設(shè)計目標的不同，選擇 DSP芯片的側(cè)重點也各不相同，其主要參數(shù) 包括以下幾個方面：&n bs p( 1)運算速度：首先我們要確定數(shù)字信號處理的算法，算法確定以后其運算量和完成時間也就大體確定了，根 據(jù)運算量及其時間要求就可以估算 DSP芯片運算速度的下限。在選擇 DSP片 時，各個芯片運算速度的衡量標準主要有： MIPS(Millions of Instructi

7、ons Per Second)，百萬條指令/秒，一般DSP為20100MIPS使用超長指令字的TMS320B2X為 2400MIPS必須指出的是這是定點DSP片運算速度的衡量指標，應注意的 是，廠家提供的該指標一般是指峰值指標，因此，系統(tǒng)設(shè)計時應留有一定的裕 量。 MOPS(Millions of Operations Per Second) ，每秒執(zhí)行百萬操作。這個指標的問題是什么是一次操作，通常操作包括CPL操作外，還包括地址計算、DMA訪問數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作等。一般說MOP越高意味 著乘積-累加和運算速度越快。MOP可以對DSP片的性能進行綜合描 述。 MFLOP(SM

8、illion Floating Point OperationsPer Seco nd)，百萬次浮點操作/秒，這是衡量浮點DSP片的重要指標。例如 TMS320C3在主頻為40MHz時，處理能力為40MFLOP,STMS320C670在指令周 期為6ns時，單精度運算可達1GFLOP。浮點操作包括浮點乘法、加法、減 法、存儲等操作。應注意的是，廠家提供的該指標一般是指峰值指標，因此， 系統(tǒng)設(shè)計時應注意留有一定的裕量。 MBPS(Million BitPer Second) ，它是對總線和 I/O 口數(shù)據(jù)吞吐率的度量，也就是某個總線或 I/O 的帶寬。例如對TMS320C6XXX200M

9、HZ時鐘、32bit總線時，總線數(shù)據(jù)吞吐率 則為 800Mbyte/s 或 6400MBPS ACS( Multiply-Accumulates PerSeco nd),例如 TMS320C6XX乘 加速度達300MMACS600MMACS&n bsp指令周期，即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns (納秒)為單位，如 TMS320LC549-8在主頻為80MHz是的 指令周期為12.5ns。 MAC寸間，執(zhí)行一次乘法和加法運算所花費的時間：大多數(shù)DSP片可以在一個指令周期內(nèi)完成一次 MAC運 算。 FFT/FIR執(zhí)行時間，運行一個 N點FFT或N點FIR程序的運算時間。

10、由于FFT運算/FIR運算是數(shù)字信號處理的一個典型算法，因 此，該指標可以作為衡量芯片性能的綜合指標。&n bsp表1是基于上述某些參數(shù)對一些 DSP片所作的比較。 ( 2)運算精度： 一般情況下，浮點DSP片的運算精度要高于定點DSP片的運算精度，但是功耗和價 格也隨之上升。一般定點 DSP片的字長為16位、24位或者32位，浮點芯片的字長為32位。累加器一般都為32位或40位。定點DSP的特點是主頻高、 速度快、成本低、功耗小，主要用于計算復雜度不高的控制、通信、語音 / 圖 像、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。通?？梢杂枚c器件解決的問題，盡量用定點器 件，因為它經(jīng)濟、速度快、成本低，功耗小

11、。但是在編程時要關(guān)注信號的動態(tài) 范圍，在代碼中增加限制信號動態(tài)范圍的定標運算，雖然我們可以通過改進算 法來提高運算精度，但是這樣做會相應增加程序的復雜度和運算量。浮點 DSP 的速度一般比定點DSP處理速度低，其成本和功耗都比定點 DSP高，但是由于 其采用了浮點數(shù)據(jù)格式，因而處理精度，動態(tài)范圍都遠高于定點DSP適合于運算復雜度高，精度要求高的應用場合；即使是一般的應用，在對浮點DSP進行編程時，不必考慮數(shù)據(jù)溢出和精度不夠的問題，因而編程要比定點DSP方便、容易。因此說，運算精度要求是一個折衷的問題，需要根據(jù)經(jīng)驗等來確定 一個最佳的結(jié)合點。  (3)字長的選擇：一般浮點DSP芯片都用3

12、2位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點DSP片是16位數(shù)據(jù)字。而Motorola公司 定點芯片用 24 位數(shù)據(jù)字，以便在定點和浮點精度之間取得折衷。字長大小是影 響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲器的大小，設(shè)計時在 滿足性能指標的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。(4) 存儲器等片內(nèi)硬件資源安排：包括存儲器的大小，片內(nèi)存儲器的數(shù)量，總線尋址 空間等。片內(nèi)存儲器的大小決定了芯片運行速度和成本，例如 TI 公司同一系列 的DSP片，不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。通過對算法程 序和應用目標的仔細分析可以大體判定對 DSP片片內(nèi)資源的要求。幾個重要 的考慮因素是片內(nèi)RAM和ROM勺數(shù)量、

13、可否外擴存儲器、總線接口 /中斷/串行 口等是否夠用、是否具有 A/D 轉(zhuǎn)換等。 ( 5)開發(fā)調(diào)試工具：完善、方便的的開發(fā)工具和相關(guān)支持軟件是開發(fā)大型、復雜DSP系統(tǒng)的必備條件，對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期有很重要的作用。開發(fā)工具包括軟件和硬件 兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件 仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過軟件仿真器進行仿真運 行，來確定必要的性能指標。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā) 板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對設(shè)計的硬件進行在線 調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實時運行設(shè)計的DSP軟件，可

14、以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當作最終產(chǎn) 品。 ( 6)功耗與電源管理：一般來說個人數(shù)字產(chǎn)品、便攜設(shè)備和戶外設(shè)備等對功耗有特殊要求，因此這也是一個該考慮的問題。它 通常包括供電電壓的選擇和電源的管理功能。供電電壓一般取得比較低，實施 芯片的低電壓供電，通常有3.3V、2.5V,1.8V，0.9V等，在同樣的時鐘頻率 下，它們的功耗將遠遠低于5V供電電壓的芯片。加強了對電源的管理后，通常 用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如 TI 公司提供了詳細的、功能隨指 令類型和處理器配置而改變的應用說明。  (7)價格及廠家的售后服務因素：價格包括 DSP片的價

15、格和開發(fā)工具的價格。如果采用 昂貴的DSP片，即使性能再高，其應用范圍也肯定受到一定的限制。但低價 位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲器少、性能上差一些的，這就帶給編程一 定的困難。因此，要根據(jù)實際系統(tǒng)的應用情況，確定一個價格適中的DSP片。還要充分考慮廠家提供的的售后服務等因素，良好的售后技術(shù)支持也是開 發(fā)過程中重要資源。  (8)其他因素：包括DSP片的圭寸裝形式、環(huán)境要求、供貨周期、生命周期等。  DSP應用選型舉例  面向數(shù)字控制、運動控制的 DSP 系統(tǒng)開發(fā)的DSP芯片選型 面向數(shù)字控制、運動控制主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、

16、馬達控制、電力系統(tǒng)控 制、機器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機床等。當然這些主要是針對數(shù) 字運動控制系統(tǒng)設(shè)計的應用，在這些系統(tǒng)的控制中，不僅要求有專門用于數(shù)字 控制系統(tǒng)的外設(shè)電路，而且要求芯片具有數(shù)字信號處理器的一般特征。&n bsp例如在控制直流無刷電動機的 DSP空制系統(tǒng)中，直流無刷電機運行過程要進行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定 子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達指定位置改變定子導通相，實 現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實際上實現(xiàn)了物理電刷的機制。因此這種電機需要 有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動勢特點進行 反電動勢過零檢測等。電機速度控制也是根

17、據(jù)位置反饋信號，計算出轉(zhuǎn)子速 度，再利用PI或PID等控制方法，實時調(diào)整PW仙空比等來實現(xiàn)定子電流調(diào) 節(jié)。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控 制芯片；但一般來說，在大多數(shù)應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他 的控制和通信等事情，所以，選用帶 PWM同時又有較強數(shù)學運算功能的芯片 也是一種很好的選擇。 Motorola 的數(shù)字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特 點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數(shù)據(jù)處理能力，同時又要有較多 控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。&

18、nbsp除此之外，數(shù)字運動控領(lǐng)域還有 TI公司的TMS320C24系列，TMS320Lx240x)系列，特別是TMS320LF2407在控制方面得 到了非常廣泛的應用，TMS320LF2407作為一款專門面向數(shù)字控制系統(tǒng)進行優(yōu) 化的通用可編程微處理器，不僅具有低功耗和代碼保密的特點，而且它集成了 極強的數(shù)字信號處理能力，又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、 A/D 轉(zhuǎn)換、事件捕捉等外設(shè)，其時鐘頻率為 40MHz指令周期小于50ns,采用改進 的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，在一個指令周期內(nèi)可以執(zhí)行幾條指令。&n bsp從運行速度，精度角度來講上述兩款芯片相差無幾，但是TMS320LF2407的調(diào)試開發(fā)環(huán)境(C